(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電加工すべき非導電性材料の表面に導電性物質を付着させた後、導電性粉末である黒鉛粉末またはカーボンブラック粉末を１０〜３０ｇ／ｌ混入した加工液を電極と前記非導電性材料との間に供給して放電加工を行うことを特徴とする非導電性材料の放電加工方法。
【請求項２】
非導電性材料の表面に付着する導電性物質が、金属網と導電性粉末を添加した塗膜からなることを特徴とする請求項１に記載の非導電性材料の放電加工方法。
【請求項３】
電極が黒鉛電極であることを特徴とする請求項１または２に記載の非導電性材料の放電加工方法。
【請求項４】
電極として黒鉛電極と、銅電極または黒鉛と銅からなる複合体電極が使用されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の非導電性材料の放電加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非導電性材料の放電加工方法、とくに非導電性セラミックスを放電加工するのに好適な非導電性材料の放電加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
放電加工は、被加工物と電極との間に油、水などの加工液を介して放電を発生させ、放電により生じる高熱高圧を利用して、気化、溶融により被加工物の表面を微小量づつ除去する加工方法であり、導電性の金属材料やセラミックスなど、非導電性材料の孔開け、切削などの加工に利用されている。
【０００３】
セラミックス、ガラスなどの非導電性材料（電気絶縁材料）を放電加工する場合、加工液として硝酸カリウム、塩化ナトリウムなどを含む電解液を適用し、被加工物の表面に針状電極を介して、電解ガスのコロナ放電を発生させ、放電時に生じる高熱により被加工材料を揮散させて、針状電極に対向する非導電性材料の極微小面積部分を加工する方法が知られている。
【０００４】
しかしながら、この方法においては、非導電性材料の極微小面積部分しか加工することができず、彫刻加工など、比較的広い面積部分を加工するには、きわめて大きなエネルギーを必要とするため、彫刻加工などに適用することは実用上不可能である。また、この方法においては、電解ガスが爆発を起こすというおそれもある。
【０００５】
通常のエネルギー量で安全に非導電性材料を放電加工するには、電極と被加工物である非導電性材料との間に安定した放電現象を形成することが必要であり、そのために、放電時、非導電性材料の表面に導電性を付与する方法が考えられ、非導電性材料の表面に導電性の皮膜を形成する、非導電性材料の表面をイオン注入などの手段で導電性を有する材質に改質するなどの試みがなされた。
【０００６】
しかしながら、非導電性材料の表面に金属メッキ層など導電体層を形成して放電加工を行った場合には、初期には放電が生じるが、電極に対向した非導電性材料の表面の金属メッキ層が無くなると放電が持続し難くなり、非導電性材料の表面を導電性を有する材質に改質した場合も、改質部分は加工が進行するが、改質された部分が無くなると放電が持続し難くなるという難点がある。加工すべき非導電性材料の表面に溶射、メッキなどの手段により銅、鉄などの導電体層を形成し、導電体層と電極との間に放電を発生させて導電体層の加工を行い、この導電性層が無くなると、導電体層の加工により生じたケロシンなどの加工液中の炭素および導電体層の微粒粉により形成された導電体および／または放電の熱エネルギーにより非導電性材料の表面が高温となることによって導体化されて生じた導電性層と電極との間で放電を行うようにする電気絶縁体の加工方法（特開昭６３−１５０１０９号公報）も提案されているが、この方法によっても安定した放電を持続することは必ずしも容易ではない。
【０００７】
絶縁性セラミックス皮膜を有するタービンブレードなどに孔開け加工などを行う場合、絶縁性セラミックス皮膜の表面に導電体を配設し、導電体に対向して電極を配置した後、加工液を供給しながら導電体を放電加工して貫通孔を形成し、引き続いて、この放電加工により生じた加工屑の付着堆積や含浸により絶縁性セラミックス皮膜の表面に形成された導電体層を利用して、絶縁性セラミックス皮膜に放電加工を行い微細孔を形成する方法も提案されている（特開平１０−２０２４３１号公報）が、非導電性材料の放電加工にこの方法を適用する場合には、加工面にいちいち導電体を配設しなければならないという煩わしさがあり、加工形態も限定されるという問題点がある。
【０００８】
また、本発明者の一人は、工作物表面に導電層を形成する特別の処理装置、工程を設けることなしに、絶縁体の加工を行うことができるとともに、従来不可能であった数ｍｍ〜数ｃｍの深さの深穴形状の加工を可能とする目的で「電極と被加工物間に電圧を印可しつつ加工を行う放電加工装置において、前記被加工物である絶縁物固体と前記被加工物である導電材固体とを、電極と被加工物との相対移動方向と直交する方向に機械的に密着せしめる接合手段と、前記絶縁物固体と導電物固体との接合部分と前記電極との間に放電電圧を印可する電源と、前記絶縁物固体と導電物固体と、前記電極とを、前記絶縁物固体と導電物固体との接合面に対して平行な方向に相対移動させる手段とを備えてなる放電加工装置」を提案した（特開平７−１３６８４９号公報）。しかし、絶縁物固体に接合する導電物固体は溶射や蒸着などの手段を用いる必要があり、また、放電中に導電物固体が絶縁物固体より剥離した場合には放電が持続しない場合や容易な方法で導電物固体を配置して放電加工を行うことが望まれた。
【０００９】
一方、放電加工において、放電の安定化、加工速度の向上、加工精度の向上、仕上げ面の改善などを目的として、加工液に、黒鉛、カーボンブラック、シリコン、アルミニウム、石墨などの粉末を混入して放電加工を行う方法が知られている。（特公昭３４−１２４９号公報、特公昭５２−２６３５７公報、特開平３−２７７４２１号公報、特開平６−２０６１２１号公報、特開平９−２７２０１９１号公報など）
【００１０】
上記の方法は、炭素鋼などの金属材料を加工対象とするものであるが、発明者らは、セラッミックスの放電加工についての研究を行っていく過程において、例えばグラファイトを加工液に混入して放電加工を行った場合、ある条件の下では、放電中、被加工物であるセラミックスの加工面に、加工液の分解により生じた炭化物やセラミックスとの間で形成した炭化物などからなる導電性化合物が付着して、導電性表面層を形成し、安定した放電を持続することを見出した。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、この知見に基づいてさらに実験、検討を重ねた結果としてなされたものであり、その目的は、大きなエネルギーを必要とすることなく、放電加工による金属材料の仕上げ加工に要する程度のエネルギー量で、非導電性材料、とくに、従来は微小面積を加工する場合を除いては困難であったガラスなどの酸化物系セラミックス、Ｓｉ3 Ｎ4 焼結体などの非酸化物系セラミックスのような非導電性材料の彫刻加工をも可能とする非導電性材料の放電加工方法を提供するものである。
【００１２】
上記の目的を達成するための本発明の請求項１による非導電性材料の放電加工方法は、放電加工すべき非導電性材料の表面に導電性物質を付着させた後、導電性粉末である黒鉛粉末またはカーボンブラック粉末を１０〜３０ｇ／ｌ混入した加工液を電極と前記非導電性材料との間に供給して放電加工を行うことを特徴とする。
【００１５】
請求項２による非導電性材料の放電加工方法は、請求項１記載の方法において、非導電性材料の表面に付着する導電性物質が、金属網と導電性粉末を添加した塗膜からなることを特徴とする。
【００１６】
請求項３による非導電性材料の放電加工方法は、請求項１または２記載の方法において、電極が黒鉛電極であることを特徴とし、請求項４による非導電性材料の放電加工方法は、請求項１〜３記載の方法において、電極として黒鉛電極と、銅電極または黒鉛と銅からなる複合体電極が使用されることを特徴とする。
【００１７】
発明者らの検討結果によれば、非導電性材料の放電加工において、加工液に導電性粉体を添加した場合、（１）導電性表面層は集中放電、短絡および長パルス放電などの異常放電時に形成され、被加工物表層の除去加工は正常放電時に行われる。すなわち、導電性表面層の形成と被加工物表層の除去加工が交互に行われるから加工効率が低くなる。（２）異常放電が生じるため、被加工物の表面粗さが、従来の導電性材料の放電加工で得られるものより粗くなり、加工精度も低くなることが経験された。
【００１８】
上記請求項に記載される本発明は、これらの問題点を解消するものであって、（１）放電加工の初期において、被加工物表面に導電性表面層が早期に形成される。（２）正常放電時に、導電性表面層の形成および被加工物表層の除去加工が行われる。（３）正常放電発生率が向上し、加工面粗さおよび加工速度が改善されることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明において、加工の対象となる非導電性材料としては、とくに、ＺｒＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、ムライト（３Ａｌ2 Ｏ3 ・２ＳｉＯ2 ）、ガラスなどの酸化物系セラミックス、Ｓｉ3 Ｏ4 、ＳｉＣ、ＡｌＮ、サイアロン（Ｓｉ・Ａｌ・Ｏ・Ｎ）などの非酸化物系セラミックスなどが挙げられる。
【００２０】
本発明では、まず、放電加工すべき非導電性材料の表面に導電性物質を付着させ、ついで、導電性粉末を混入した加工液を電極と前記非導電性材料との間に供給して放電加工を行う。予め、非導電性材料の表面に付着させる導電性物質は、放電加工時に剥離しないことが必要であり、一例としては、黒鉛、カーボンブラック、α−ＳｉＣ、あるいはシリコン、アルミニウムなどの金属粉末からなる導電体の粉末を単独または混合して添加した塗料を塗布、乾燥し、必要により焼付硬化させて導電性物質の塗膜を形成する。さらに、放電加工中における放電持続を阻害する導電性物質の剥離を防止するために、導電性物質中に導電性の金属メッシュを配設するのが有効である。金属メッシュの材質としては、柔軟性をそなえた銅、銀、金、白金などがより好適であるが、鉄、鉄−ニッケル−クロム系材料（ＳＵＳ）などの金属材料を用いることもできる。金属メッシュは、篩に用いられる目開きが６０〜３６０メッシュのものが好適に使用できる。
【００２１】
加工液としては、ケロシンを主体とする加工液、その他公知のすべての加工液が適用できる。加工液に混入する導電性粉末としては、黒鉛、カーボンブラック、α−ＳｉＣの粉末、あるいはシリコン、アルミニウムなどの金属粉末が挙げられる。
【００２２】
加工液に混入する導電性粉末は、平均粒径が２〜３０μｍで固有抵抗が５０Ω・ｃｍ以下の特性を有する黒鉛粉末、α−ＳｉＣ粉末が、とくに好適に使用される。平均粒径が３０μｍを越えると、放電加工中に、短絡、集中放電などの異常放電が生じ易くなり、平均粒径は２μｍ未満では、加工速度は向上するものの被加工面の面粗さが低下する。加工液に混入する導電性粉末の固有抵抗は５０Ω・ｃｍ以下が好ましく、固有抵抗が５０Ω・ｃｍを越えると、放電加工中、被加工材料の表面に形成される導電性表面層と電極間の放電安定性が低下し易い。なお、この固有抵抗は、直径１０ｍｍ、長さ１２０ｍｍの通気性で絶縁性のアルミナ管に試料５ｇを入れ、一端より荷重を負荷し、以下の条件で４端子電圧降下法により測定し、無負荷時の電圧降下値より求める。
端子間距離（ｍｍ）：２０
設定電流値（ｍＡ）：５
負荷荷重（ｋｇ／ｃｍ2 ）：１、５、１０および１５
【００２３】
本発明による放電加工は、以下の工程に従って進行する。
（１）被加工物である非導電性材料と電極間に印可した電圧により、加工液中の導電性粉末が帯電し、電圧印可方向に並ぶ工程。
（２）並んだ導電性粉末に沿って放電する工程。
（３）放電により、被加工物の表面に導電性表面層が形成する工程。
（４）電極と導電性表面層間で安定した放電現象が生じ、被加工物表面の除去加工と導電性表面層の形成が同時に行われる工程。
【００２４】
加工液に混入する導電性粉末としては、カーボンブラックを用いることもでき、ＤＢＰ吸油量が１００ｍｌ／１００ｍｇ以上、Ｄｓｔモード径が１００ｎｍ以上の特性を有するカーボンブラックがとくに好適に使用される。ＤＢＰ吸油量が１００ｍｌ／１００ｍｇ未満、Ｄｓｔモード径が１００ｎｍ未満のものでは、上記の工程において、カーボンブラックが帯電して電圧印可方向に並び難い。カーボンブラックは、導電性を高めるために、２０００〜３０００℃の温度で熱処理を施してもよい。
【００２５】
本発明においては、加工電極として黒鉛電極を使用することにより、放電加工中、被加工物の表面への導電性表面層の形成が促進される。電極素材としては、骨材となる炭素粒子の平均粒径が２０μｍ以下のものが好ましく、１０μｍ以下のものがより好ましい。平均粒径が２０μｍを越える場合、時には１０μｍを越える場合でも、被加工物表面に消耗脱落する炭素粒子が集中放電の核となり、加工面精度を低下させる傾向がある。加工電極の消耗を少なくして加工精度を向上させるために、黒鉛電極と銅電極を使用することもできる。例えば、加工初期の１０〜２０分間は黒鉛電極を使用し、以後の加工は銅電極を使用して行う。また、銅電極に代えて黒鉛と銅との焼結複合体や含浸複合体からなる電極を使用することもできる。なお、銅電極のみを使用した場合にでも加工できるが、黒鉛電極または黒鉛複合体電極の方が酸化物系非導電性材料を放電加工し易い傾向がある。
【００２６】
本発明の作用について説明すると、電極と被加工物との間に、導電性粉体粒子を混合した加工液を存在させることにより、導電性粉体粒子が電極と被加工物との間の電力線に沿って電気泳動を行い、この現象が繰り返されることにより、一部の導電性粉体粒子群が重なり合って柱状の架橋を形成し、この架橋の部分から放電を生じる。
【００２７】
放電時に、柱状の導電性粉体粒子群は被加工物表面に飛散し、導電性表面層を形成する。被加工物となる非導電性材料の表面に導電性物質を付着させ、ついで、とくに請求項２〜３に規定する導電性粉末を混入した加工液を存在させて放電加工を行うことにより、初期に被加工物表面の導電性表面層の形成が早期に行われ、正常放電時に導電性表面層の形成および被加工物表面層の除去加工が同時に進行し、加工効率が改善される。
【００２８】
また、電極と被加工物との間に、導電性粉体粒子を混合した加工液を存在させると、前記のように、導電性粉体粒子が電極と被加工物との間の電力線に沿って電気泳動を行い、一部の導電性粉体粒子群が重なり合って柱状の架橋を形成し、この架橋の部分から放電が発生するが、この現象により、電極と被加工物との間の距離（極間距離）が広くなり加工屑の排出が容易となる。従って、短絡および集中放電などの異常放電の発生率が低減され、被加工物の加工表面粗さが改善される。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
実施例１
市販のＺｒＯ2 焼結体を被加工物とし、三菱電機（株）製放電加工機（ＡＤＭＡＱ−Ｅ）を使用して放電加工を行った。加工液にはケロシン、加工液に混入する導電性粉体として、オリエンタル産業（株）製の黒鉛粉（ＦＡ−４、平均粒径：４μｍ、固有抵抗：０．３Ω・ｃｍ）、電極として東海カーボン（株）製ＨＫ−２（直径５ｍｍ）を使用した。なお、放電加工に先立って、予め、被加工物の表面に、上記の黒鉛粉（ＦＡ−４）を含有させた合成樹脂塗料を塗布し、乾燥させて導電性塗膜を形成した。加工条件および加工結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
0004442944.tif 000002
【００３１】
表１に示すように、本発明に従って、放電加工すべき被加工物の非導電性材料の表面に導電性物質を塗着させ、ついで、導電性粉末を混入した加工液を供給して放電加工を行ったもの（試験Ｎｏ．２〜４）では、加工速度、加工面粗さの改善が認められる。試験Ｎｏ．１のものと試験Ｎｏ．２〜４のものでは、Ｒｍａｘの差は大きくないが、加工面のうねりには大きな差が観察された。
【００３２】
実施例２
市販のＳｉ3 Ｎ4 焼結体を被加工物とし、三菱電機（株）製放電加工機（ＡＤＭＡＱ−Ｅ）を使用して放電加工を行った。加工液にはケロシン、加工液に混入する導電性粉体として、オリエンタル産業（株）製の黒鉛粉（ＦＡ−４、平均粒径：４μｍ、固有抵抗：０．３Ω・ｃｍ）、電極として東海カーボン（株）製ＨＫ−２（直径５ｍｍ）を使用した。なお、放電加工に先立って、予め、被加工物の表面に、上記の黒鉛粉（ＦＡ−４）を含有させた合成樹脂塗料を塗布し、焼付け硬化させて導電性塗膜を形成した。加工条件および加工結果を表２に示す。
【００３３】
【表２】
0004442944.tif 000003
【００３４】
表２に示すように、本発明に従って、放電加工すべき被加工物の非導電性材料の表面に導電性物質を塗着させ、ついで、導電性粉末を混入した加工液を供給して放電加工を行ったもの（試験Ｎｏ．６〜８）では、加工速度はやや低下したが、加工面粗さは大きく改善されている。
【００３５】
実施例３
市販のＳｉＣ焼結体を被加工物とし、三菱電機（株）製放電加工機（ＡＤＭＡＱ−Ｅ）を使用して放電加工を行った。加工液にはケロシン、加工液に混入する導電性粉体として、カーボンブラック（東海カーボン（株）製シースト９Ｈ、ＤＢＰ吸油量：１３０ｍｌ／１００ｇ、Ｄｓｔモード径：６５ｎｍ）、電極として東海カーボン（株）製ＨＫ−２（直径５ｍｍ）を使用した。なお、放電加工に先立って、予め、被加工物の表面に、上記の黒鉛粉（ＦＡ−４）を含有させた合成樹脂塗料を塗布し、焼付け硬化させて導電性塗膜を形成した。加工条件および加工結果を表３に示す。
【００３６】
【表３】
0004442944.tif 000004
【００３７】
表３に示すように、本発明に従って、放電加工すべき被加工物の非導電性材料の表面に導電性物質を塗着させ、ついで、導電性粉末を混入した加工液を供給して放電加工を行ったもの（試験Ｎｏ．１０〜１２）では加工面粗さの改善が認められる。
【００３８】
実施例４
市販のＺｒＯ2 焼結体を被加工物とし、実施例と同じく三菱電機（株）製放電加工機（ＡＤＭＡＱ−Ｅ）を使用して放電加工を行った。使用電極は、加工開始から１５分間は黒鉛電極（直径５ｍｍ）を使用し、以後は銅電極（直径５ｍｍ）を使用して放電加工を行った。加工液にはケロシン、加工液に混入する導電性粉体として、平均粒径の異なるオリエンタル産業（株）製の黒鉛粉（ＦＡ−４、固有抵抗：０．３Ω・ｃｍ）を使用し、黒鉛粉の濃度を２０ｇ／ｌとして放電加工を実施した。なお、放電加工に先立って、予め、被加工物の上に１００メッシュの銅網を載置し、黒鉛粉（ＦＡ−４）を含有させた合成樹脂塗料を塗布し、乾燥させて導電性塗膜を形成した。加工条件および加工結果を表４に示す。
【００３９】
【表４】
0004442944.tif 000005
【００４０】
表４に示すように、加工液に混入される黒鉛粉の平均粒径が２μｍ未満の試験Ｎｏ．１３においては、加工速度は向上しているが、加工面粗さはやや低下するものとなった。また、黒鉛粉の平均粒径が３０μｍを越える試験Ｎｏ．１７においても面粗さが低下する傾向が見られる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、大きなエネルギーを必要とすることなく、放電加工による金属材料の仕上げ加工に要する程度のエネルギー量で、非導電性材料、とくに、従来は微小面積を加工する場合を除いては困難であったガラス、ＺｒＯ2 などの酸化物系セラミックス、Ｓｉ3 Ｎ4 焼結体などの非酸化物系セラミックスのような非導電性材料の彫刻加工をも可能とする非導電性材料の放電加工方法が提供される。